光电位置传感器及光电位置测量VIP专享VIP免费

、'，r。第l8卷第4期1994年12月哈尔滨科学技术大学学报J0URNALHARBINUNIV．SCI．&TECH。VO1．18No．4Dec．1994光电位置传感器及光电位置测量袁峰丁振良蒋作民强锡富谭定忠(哈尔演工业大学)摘要对目前已研制出的多种光电位敏元件及位置测量方法进行了系统的归纳分类，并结合作者本人的研究工作，对这些方法进行了综合评述．关键词住敏元件位置测量定位分类号TM930．126光电位置测量是许多测量过程的基础，许多角位移和线位移的测量都可以转换为位置的测量，其中很广泛的一类测量是基于光线偏转原理。因此，光线位置的精密测量是许多测量过程的关键，也是许多领域研究人员共同关注的问题．目前已经研制出多种光电位敏元件并在其使用方面做了大量的研究工作，本文对这些研究进行了系统的归纳分类，并结合作者的研究工作¨'对这些方面进行比较．由于涉及面较广，本文只讨论简单光学图像的位置测量。1光电位置测量方法分类一般位置测量系统由光学系统、位敏元件、前置电路、数据处理等部分构成，有的系统还有反馈执行元件，因此，光电位置测量从不同角度可以有几种不同的分类方法，如按所使用的位敏元件类型分类、按提取的位置特征分类、按测量系统的工作状态分类等。其中按所用位敏元件分类是比较重要的分类方法．位敏元件总的来说可分为三类．第一类是单探测器类，包括光电倍增管、光电二极管(含光电池)、光敏电阻等，利用机械扫描或电子扫描(析像管)装置，将输入辐射调制成空间位置信号．另外通过测量已知分布的光辐射信号的光通量也可进行位置测量，其输出也能反映一维位置信息．第二类是具有连续位置检测能力的光电探测器PSD，它有面型和线型两种，其输出含有光信号亮度信息和亮度重心位置信息．笫三类是阵列器件，是目前发展较快、应用较多的光电探测器一般分为半导体类和电子管类。半导体类包括光敏二极管阵列、CCD像感器、像限光敏二极管或光电池，由线型PSD构成的面阵等．电子管类包括象限倍增管、光导摄像管及侈像正析像管．由于阵列本身就形成一个坐标系。因而非常适于位置测量．阵列传感器相对前两种探测器能获得更多的信息，如光信号的空间分布，背景分布的情况等．不仅如此，还能容易地同时获取多个光信号的位置信息。此外还可将光敏元件成各种特殊形状(如十字线肜、环形、扇形)以满足不同需要．按提取位置特征的类型可以有不同的定位方法”．一个简单光学图像的位置可以用以下方法表示：信号的边缘，亮度中心、峰值坐标以及整个图像分布与已知样板的匹配情况等。一般箍Fl期·，l§q4—03～30，r。＼，维普资讯http://www.cqvip.com22哈尔滨科学技术大学学报第l8卷根据位置测量系统的工作状态，位置测量系统可以工作在开环状态或闭环状态．闭环工作状态通常可提高位置测量精度、扩展系统线性范围等，但这些都是以增加系统复杂性为代价的．2光电位敏元件的主要性能早期的光电位敏元件主要是光电发射型探测器，有光电倍增管，析像管光导摄像管及移像正析像管．其共同特点是体积大，需高压电源，易受磁场干扰(通常需要屏蔽)，摄像管易被强光灼伤．光电发射型探测器一般都具有优良的弱光探测能力，它们被成功地用于位置测量，如装在早期的星体跟踪器中测定星像的位置盯～．半导体位敏元件是目前发展较快的光电探测器，使用方便、类型多样、具有很多优良的性能，在弱光检测方面可代替光电倍增管，是目前光电位置测量中广泛采用的元件，下面将着重从位置测量角度讨论其性能．2．1分辨能力分辨能力也就是对光学图像位置变化的分辨能力．对单探测器，直接与这一指标有关的参数是噪声等效功率，决定这一参数大小的因素是暗电流噪声及热噪声．通常热噪声比暗电流噪声大得多，只有光敏元件而积很小时，暗电流噪声才能和热噪声相比．如果靠机械扫描来定位，位置检测系统的分辨能力还要受光学系统外部机械孔径的限制．单探测器位置测量的极限分辨力可以很高¨．在L定测试条件下，大面积连续位置探测器PSD的分辨力一般在3～20／．tm范围内，而线型PSD的分辨力为零点几微米．另外，光信号功率对分辨力有直接影响，增加光信号功率可提高分辨力¨他1．阵列式位敏元件的位置分辨力首先取决于...